DE102009049809B4 - Optical runtime sensor for space scanning - Google Patents

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Abstract

Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung mit mindestens einem Impulslaser und mindestens einem Impulsempfänger dadurch gekennzeichnet, dass der Impulslaser und der Impulsempfänger auf ein System aus zwei fest miteinander verbundenen, nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse angeordneten Spiegel, die zueinander senkrecht stehen, abgebildet werden und diese Anordnung über eine Lagerung aus vorwiegend Torsionsfedern zum Schwingen um die gemeinsame Achse gebracht wird und dadurch eine Szene in einer Ebene von z. B. ±30° abgetastet wird. Durch Einbau dieser Anordnung in einen Rotor ist ein Raum von z. B. 360° Azimut und 60° Elevation abtastbar.Optical time sensor for space scanning with at least one pulse laser and at least one pulse receiver, characterized in that the pulse laser and the pulse receiver on a system of two firmly interconnected, arranged side by side on a common axis mirror, which are perpendicular to each other, and this arrangement via a Storage of predominantly torsion springs is brought to oscillate about the common axis and thereby a scene in a plane of z. B. ± 30 ° is scanned. By installing this arrangement in a rotor is a space of z. B. 360 ° azimuth and 60 ° elevation scanned.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist eine Reihe von Sensoren bekannt, die einen Szenenraum abtasten. Diese Sensoren sind z. B. in folgenden Schriften dargestellt: US 5 337 189 A DE 101 14 362 C2 US 2007 / 0150227 A1 DE 101 46 692 B4 DE 101 05 774 A1 DE 10 2004 014 041 B4 DE 36 34 724 A1 DE 10 2005 055 572 B4 DE 10 2004 033 928 A1 DE 10 2006 045 799 A1 There are a number of sensors known to scan a scene space. These sensors are z. As shown in the following documents: US 5,337,189 A DE 101 14 362 C2 US 2007/0150227 A1 DE 101 46 692 B4 DE 101 05 774 A1 DE 10 2004 014 041 B4 DE 36 34 724 A1 DE 10 2005 055 572 B4 DE 10 2004 033 928 A1 DE 10 2006 045 799 A1

Systeme nach US 5 337 189 A und nach DE 10 2004 033 928 A1 sind koaxiale Systeme unter Nutzung der Laserstrahlung und Empfangsrückstreuung im gleichen oder koaxial geführten Strahlengang. Damit entstehen zwei wesentliche Nachteile:

  • - Die Empfangsfläche wird um die Spiegel- oder Optik-Fläche des Lasers verringert.
  • - Die Rückstreuung aus der zu detektierenden Szene kommt im gleichen Raum der Senderabstrahlung zurück auf den Empfänger. Damit wird durch Rückstreuungen im Nahfeld wie z. B. Nebel und Regen oder Staub oder an der sensoreigenen Schutzscheibe der Empfänger übersteuert, wodurch Signale im Nahbereich nicht mehr detektierbar sind.
Systems after US 5,337,189 A and after DE 10 2004 033 928 A1 are coaxial systems using the laser radiation and receiving backscatter in the same or coaxially guided beam path. This creates two major disadvantages:
  • - The receiving surface is reduced by the mirror or optics surface of the laser.
  • - The backscatter from the scene to be detected comes back to the receiver in the same room of the transmitter. This is due to backscatter in the near field such. As fog and rain or dust or on the sensor's protective screen of the receiver overridden, so that signals in the vicinity are no longer detectable.

Außerdem sind Systeme beschrieben, die nur Ablenksysteme für eine Einheit, Sender oder Empfänger darstellen z. B. auch für Abstandsmessung nach dem für TriangulationsverfahrenIn addition, systems are described which represent only deflection systems for a unit, transmitter or receiver z. B. also for distance measurement after that for triangulation

Das System mit der Abtastung mit einem rotierenden Prisma oder Polygonspiegel ist durch Verringerung der Empfangsfläche und durch Verkopplung von Sende-Empfangsleistung bereits auf dem Prisma nicht geeignet und für viele Anwendungen zu voluminös und zu schwer.The scanning system with a rotating prism or polygon mirror is not suitable for the prism due to the reduction of the receiving surface and the coupling of transmitted-received power, and is too bulky and too heavy for many applications.

Alle diese Systeme haben den Nachteil, dass sie nicht sehr kompakt aufgebaut werden können und nicht gleichzeitig mehrere Wellenlängen zur Abtastung benutzbar sind.All these systems have the disadvantage that they can not be built very compact and not several wavelengths are used for scanning simultaneously.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Mit der Erfindung wurde die Aufgabe gelöst mit einem einzigen System aus schwingend angeordneten Spiegeln einen weiten Abtastwinkel zu ermöglichen. Zugleich wird eine kompakte Bauweise erreicht, bei der Laser und Empfangsbaugruppen voneinander getrennt sind und bei Rotation des Systems mehrere Abtastungen pro Umdrehungen möglich sind. Zugleich können mit dem gleichen System mehrere Wellenlängen Verwendung finden.With the invention, the problem was solved with a single system of swinging mirrors to allow a wide scanning angle. At the same time, a compact design is achieved in which the laser and receiving modules are separated from each other and when scanning the system several scans per revolution are possible. At the same time, multiple wavelengths can be used with the same system.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Erfindung wird anhand der 1 bis 4 beschrieben.
Entsprechend 1 wird ein Laser 101 der von dem Pulsgenerator 100 angesteuert wird über die Optik 104 mit dem Strahlengang 106 auf den Spiegel 105 abgebildet. Von dort aus wird mit dem Strahlengang 106a die zu vermessende Szene abgetastet. Die reflektierten Lichtimpulse gelangen über den Strahlengang 108 auf den Spiegel 107 und von dort aus über den Strahlengang 108a auf das optische Filter 109, auf die Empfangslinse 110 und werden von dieser auf den Detektor 111 gebündelt.
Dieser Spiegel ist starr mit dem Spiegel 107 verbunden. Beide Spiegel bilden zueinander einen rechten Winkel. Das Spiegelsystem (105, 107) ist über Torsionsfedern 113 federnd aufgehängt.
Über den Spiegel 105a kann ein zweiter Laser in gleicher Weise wie der Laser 101 auf die Szene abgebildet werden um z. B. zeitversetzt einen zweiten Laserfleck zu erzeugen.
Die Anregung der Spiegelsysteme (105, 107 und gegebenenfalls 105a) kann einfach durch einen Elektromagneten mit dem Joch 114 und den Wicklungen 115 (115a und 115b) der auf den Permanentmagneten 102 über den Hebel 102 auf das Spiegelsystem wirkt erfolgen. Diese Anregung ist ein Beispiel, sie kann auch elektrostatisch, piezoelektrisch, magnetbetrieben oder über eine Drehspule oder einen Motor erfolgen. The invention is based on the 1 to 4 described.
Corresponding 1 becomes a laser 101 that of the pulse generator 100 is controlled by the optics 104 with the beam path 106 on the mirror 105 displayed. From there, the beam path 106a scanned the scene to be measured. The reflected light pulses pass over the beam path 108 on the mirror 107 and from there via the beam path 108a on the optical filter 109 , on the receiving lens 110 and from this to the detector 111 bundled.
This mirror is rigid with the mirror 107 connected. Both mirrors form a right angle to each other. The mirror system ( 105 . 107 ) is via torsion springs 113 suspended resiliently.
About the mirror 105a Can a second laser in the same way as the laser 101 be imaged on the scene to z. B. time-delayed to generate a second laser spot.
The excitation of the mirror systems ( 105 . 107 and optionally 105a) can be easily by an electromagnet with the yoke 114 and the windings 115 (115a and 115b) on the permanent magnet 102 over the lever 102 done on the mirror system acts. This excitation is an example, it can also be done electrostatically, piezoelectrically, magnetically driven or via a rotary coil or a motor.

Entsprechend 2 kann das System in einen Rotor 206 eingebaut werden. Der Rotor enthält das Spiegelsystem gemäß 1 bestehend aus dem Spiegeln 105 und 107 und den Torsionsfedern 113, die Laserdiode 101 mit ihrer Optik 104. Der Rotor 206 wird über den Motor 205 über die Achse 204 zur z. B: Azimutabtastung rotiert. Die Laserdiode 101wird dabei über den Induktionsring 201 (der sich mitdreht) über den stehenden Induktionsring 202 über den Pulsgenerator 203 angesteuert. Der über den Strahlengang 106a abgegebene Lichtimpuls wird z. B. von einem Objekt reflektiert und kommt über den Strahlengang 108 auf den Spiegel 107 und wird von dort über den Strahlengang 108a auf das stehende Filter 109 über die stehende Optik 110 auf den stehenden Empfänger 111 abgebildet.
Damit kann eine Szene im Azimutwinkel von z. B. 360° und im Elevationswinkel von z. B. ± 30° leicht abgetastet werden.
Die Anregung des Spiegelsystems (105, 107) geschieht in diesem Beispiel direkt über das Joch bestehend aus der ferromagnetischen Schenkeln 209c, dem Permanentmagneten 209d und dem in diesem Fall ferromagnetischen Spiegel 107. Die Versorgung der Spule 209 bestehend aus den Teilspulen 209a und 209b erfolgt berührungslos über den Transformator mit der mitdrehenden Sekundärwicklung 207, der stehenden Primärwicklung 208 die über den Generator 201 gespeist wird. Eine weitere Anordnung ist in 3 dargestellt. In dieser Anordnung wird das Schwingspiegelsystem 105 und 107 von beiden Seiten benützt.
Der Laser 101, angesteuert über den Induktionsring 201 und dem Primärring 202 gibt seinen Lichtimpuls über die Optik 104 mit dem Strahlengang 106 auf den Spiegel 105 und von dort über den Strahlengang 106a auf die Szene ab. Der reflektierte Lichtimpuls gelangt über den Strahlengang 108 auf den Spiegel 107 und von dort aus über das Filter 109, die Optik 110 auf den stehenden Detektor 111.
Der Laser 301, angesteuert über den Induktionsring 302, dem Primärring 303 gibt seinen Lichtimpuls über die Optik 304 über den Strahlengang 312 auf die andere Seite des Spiegels 105 auf die Szene über den Strahlengang 312a ab. Der rückgestreute Lichtimpuls gelangt über die andere Seite des Spiegels 107 mit dem Strahlengang 313 über den Strahlengang 313a über das Filter 304 und die Optik 305 auf den stehenden Detektor 306.
Das Anregungssystem der Spiegel 105 und 107 wird z. B: über die mitdrehende Wicklung 314 und 316 über die stehende Primärwicklung 315 und 316 versogt. Der Rotor wird z. B: über die Spulen 309 und 311, die auf die Magnete 308 und 310 wirken, in Drehung versetzt.
Das schwingende Spiegelsystem 105 und 107 wird in diesem Beispiel über eine Drehspule 320 angeregt, die sich über einen Permanentmagneten 330 mit seinen Polen 330a und 330b dreht. Die Spule ist mechanisch mit der Verbindung 319 mit dem Spiegel 107 verbunden, der seinerseits mit der Verbindung 318 mit dem Spiegel 105 fest verbunden ist.
Die Torsionsfeder 113 ist beidseitig im Rotor über die Halterungen 113a und 113b fest verbunden.
Zwischen den Spiegeln 105 und 107 kann zur Abschirmung der Strahlengänge des Lasers 101 und 201 und der Empfänger 111 und 306 ein Abschirmblech angebracht werden. Mit der Anordnung nach 3 kann pro Umdrehung durch die beiden Systeme die Szene zweimal abgetastet werden was z. B. eine sehr schnelle 360° Abtastung ermöglicht. Eine weitere Möglichkeit ist, dass sowohl Laserdioden als auch Filter und Detektoren für unterschiedliche Wellenlängen angelegt sein können, was z. B. für schlechte Wetterbedingungen wie Nebel, Schnee, Regen von großem Vorteil im Hinblick auf die Detektionsgüte sehr vorteilhaft ist. Damit mit der Anordnung ein großer Elevationswinkel pro Umdrehung abgetastet werden kann, sind anstatt einer Laserdiode z. B. 101 auch mehrer Laserdioden 351, 352 und 353 mit einer Pulsweiterschaltung 350 betreibbar, die über einen der Induktionsringe 202 oder 303 angesteuert und betreibbar wird.Corresponding 2 can the system into a rotor 206 to be built in. The rotor contains the mirror system according to 1 consisting of the mirroring 105 and 107 and the torsion springs 113 , the laser diode 101 with their optics 104 , The rotor 206 is about the engine 205 over the axis 204 to z. B: Azimuth scanning rotates. The laser diode 101 is thereby over the induction ring 201 (which rotates) over the stationary induction ring 202 over the pulse generator 203 driven. The over the beam path 106a emitted light pulse is z. B. reflected by an object and comes over the beam path 108 on the mirror 107 and is from there via the beam path 108a on the standing filter 109 about the standing optics 110 on the standing receiver 111 displayed.
This can be a scene in the azimuth angle of z. B. 360 ° and the elevation angle of z. B. ± 30 ° can be easily scanned.
Excitation of the mirror system ( 105 . 107 ) happens in this example directly over the yoke consisting of the ferromagnetic legs 209c , the permanent magnet 209d and the ferromagnetic mirror in this case 107 , The supply of the coil 209 consisting of the partial coils 209a and 209b takes place without contact via the transformer with the co-rotating secondary winding 207 , the standing primary winding 208 the over the generator 201 is fed. Another arrangement is in 3 shown. In this arrangement, the oscillating mirror system 105 and 107 used by both sides.
The laser 101 , controlled by the induction ring 201 and the primary ring 202 gives its light impulse over the optics 104 with the beam path 106 on the mirror 105 and from there via the beam path 106a on the scene. The reflected light pulse passes over the beam path 108 on the mirror 107 and from there via the filter 109 , the optics 110 on the standing detector 111 ,
The laser 301 , controlled by the induction ring 302 , the primary ring 303 gives its light impulse over the optics 304 over the beam path 312 to the other side of the mirror 105 on the scene over the beam path 312a from. The backscattered light pulse passes over the other side of the mirror 107 with the beam path 313 over the beam path 313a over the filter 304 and the optics 305 on the standing detector 306 ,
The excitation system of the mirror 105 and 107 is z. B: over the co-rotating winding 314 and 316 over the stationary primary winding 315 and 316 versogt. The rotor is z. B: over the coils 309 and 311 on the magnets 308 and 310 act, set in rotation.
The oscillating mirror system 105 and 107 is in this example via a rotary coil 320 excited by a permanent magnet 330 with his poles 330a and 330b rotates. The coil is mechanical with the connection 319 with the mirror 107 connected, in turn, with the connection 318 with the mirror 105 is firmly connected.
The torsion spring 113 is on both sides in the rotor via the brackets 113a and 113b firmly connected.
Between the mirrors 105 and 107 can be used to shield the beam paths of the laser 101 and 201 and the receiver 111 and 306 a shielding be attached. With the arrangement after 3 Per revolution by the two systems, the scene can be scanned twice what z. B. allows a very fast 360 ° scanning. Another possibility is that both laser diodes and filters and detectors can be applied for different wavelengths, which z. B. for bad weather conditions such as fog, snow, rain is of great advantage in terms of detection quality very beneficial. So that a large elevation angle per revolution can be scanned with the arrangement, instead of a laser diode z. B. 101 also several laser diodes 351 . 352 and 353 with a pulse forwarding 350 operable via one of the induction rings 202 or 303 is controlled and operated.

In 4 entspricht der Laserteil von der Laserdiode 101 bis zur Empfangsdiode 111 der Beschreibung und Anwendung von 2 und 3.
Wie in 3 wird das Spiegelsystem 105, 107 über die Wicklungen 314, 315 und 316, 317 betrieben und der Motor besteht aus den Magneten 308, 310 die über die Wicklungen 309, 311 angesteuert werden. Der untere Teil besteht aus dem Mikrowellen Sende-Empfangssystem 401 mit seiner Antenne 402 die über die Mikrowellenlinse 403 über den Strahlengang 404 auf die Unterseite des Spiegels 107 über den Strahlengang 404a auf die Szene abgebildet wird. Die reflektierte Mikrowellenstrahlung kommt auf den gleichen Weg mit dem Strahlengang 404r über den Spiegel 107 und die Mikrowellenlinse auf das Mikrowellen Sende-Empfangssystem 401 zurück. Der Strahlengang 404 kann auch mit einem Paraboloid-Reflektor 407 über die Antenne 406 und die Speiseleitung 405 vom Mikrowellen Sende-Empfangssystem angesteuert werden.
Werden die doppelseitig wirkenden Systeme nicht in einem Rotor eingebaut und erfolgt die Raumabtastung z. B. über Laserzeilen, so kann die zweite Seite über eine Anordnung von zwei weiteren dislozierten Spiegeln auf die gleiche Szene abgebildet werden.
Die Abstandsmessung der beschriebenen Pulslasersysteme erfolgt vorwiegend nach dem Pulslaufzeitverfahren, wie in den Schriften
DE 41 27 168 C2
DE 197 17 399 C2
DE 101 668 B4 DE 10 2006 049 935 A1 In 4 corresponds to the laser part of the laser diode 101 to the receiving diode 111 the description and application of 2 and 3 ,
As in 3 becomes the mirror system 105 . 107 over the windings 314 . 315 and 316 . 317 operated and the engine consists of the magnets 308 . 310 the over the windings 309 . 311 be controlled. The lower part consists of the microwave transceiver system 401 with his antenna 402 the over the microwave lens 403 over the beam path 404 on the bottom of the mirror 107 over the beam path 404a pictured on the scene. The reflected microwave radiation comes in the same way with the beam path 404R over the mirror 107 and the microwave lens on the microwave transceiver system 401 back. The beam path 404 can also use a paraboloid reflector 407 over the antenna 406 and the feeders 405 be controlled by the microwave transmitting-receiving system.
If the double-sided systems are not installed in a rotor and the room scanning z. B. over laser lines, the second page can be mapped to the same scene via an array of two other dislocated mirrors.
The distance measurement of the described pulse laser systems takes place predominantly according to the pulse transit time method, as in the documents
DE 41 27 168 C2
DE 197 17 399 C2
DE 101 668 B4 DE 10 2006 049 935 A1

Die Auswertung der Radarsignale erfolgt nach den bekannten Verfahren, wie z. B: Pulslaufzeit, Dopplerauswertung, Frequenzmodulation, Frequenzsweep und daraus abgeleitete Kombinationen.
Durch die Kombination eines Mikrowellensystems mit geringer Raumauflösung und direkter Messung der Geschwindigkeit über die Dopplerfrequenz und dem optischen System mit hoher Ortsauflösung kann die Funktionalität des Sensors erheblich gesteigert werden.The evaluation of the radar signals is carried out according to the known methods, such as. B: pulse duration, Doppler evaluation, frequency modulation, frequency sweep and combinations derived from it.
By combining a microwave system with low spatial resolution and direct measurement of the speed over the Doppler frequency and the optical system with high spatial resolution, the functionality of the sensor can be significantly increased.

Claims (7)

Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung mit mindestens einem Impulslaser (101) und mindestens einem Impulsempfänger (111) dadurch gekennzeichnet, dass der Impulslaser und der Impulsempfänger auf ein System aus zwei fest miteinander verbundenen, nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse (113) angeordneten Spiegel (105, 107), die zueinander senkrecht stehen, abgebildet werden und diese Anordnung über eine Lagerung aus vorwiegend Torsionsfedern zum Schwingen um die Achse (113) gebracht wird und dadurch eine Szene in einer Ebene von z. B. ±30° abgetastet wird.Optical time-of-flight sensor for space scanning with at least one pulse laser (101) and at least one pulse receiver (111), characterized in that the pulse laser and the pulse receiver are based on a system consisting of two mirrors (105, 107) fixedly connected to one another and arranged on a common axis (113) ), which are perpendicular to each other, are shown and this arrangement is brought about a storage of predominantly torsion springs to oscillate about the axis (113) and thereby a scene in a plane of z. B. ± 30 ° is scanned. Optischer Laufzeitsensor zur Raumabtastung mit mindestens einem Impulslaser und mindestens einem Impulsempfänger dadurch gekennzeichnet, dass das in Anspruch 1 beschriebene System in einen Rotor eingebaut wird und damit ein Raum im Bereich von 360° Azimut und ±30° Elevation abgetastet werden kann.Optical runtime sensor for space scanning with at least one pulse laser and at least a pulse receiver characterized in that the in Claim 1 described system is installed in a rotor and thus a space in the range of 360 ° azimuth and ± 30 ° elevation can be sampled. Optischer Laufzeitsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das beschriebene Spiegelsystem von beiden Seiten benützt werden kann um zugleich mit zwei Sende-Empfangsanordnungen den Raum abzutasten.Optical runtime sensor according to one of Claims 1 or 2 characterized in that the described mirror system can be used from both sides in order to simultaneously scan the space with two transceiver arrangements. Optischer Laufzeitsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass anstatt einer Laserdiode eine Zeile von Laserdioden verwendet wird.Optical runtime sensor according to one of Claims 1 or 2 characterized in that instead of a laser diode, a row of laser diodes is used. Optischer Laufzeitsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsystem von beiden Seiten benützt wird um die Szene mit unterschiedlichen Wellenlängen abtasten zu können.Optical runtime sensor according to one of Claims 1 or 2 characterized in that the mirror system is used from both sides in order to be able to scan the scene with different wavelengths. Optischer Laufzeitsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen dem Sendespiegel und dem Empfangsspiegel ein Separator angebracht ist.Optical runtime sensor according to one of Claims 1 or 2 characterized in that in each case a separator is mounted between the transmitting mirror and the receiving mirror. Optischer Laufzeitsensor nach einem der Ansprüche 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem System, bei dem beide Spiegelseiten benützt werden und dieses nicht in einem Rotor eingebaut ist durch eine einfache Anordnung von zwei zusätzlichen Spiegeln das zweite System auf dieselbe Stelle wie das erste System abgebildet werden kann.Optical runtime sensor according to one of Claims 1 characterized in that in a system in which both sides of the mirror are used and this is not installed in a rotor, by a simple arrangement of two additional mirrors, the second system can be mapped to the same location as the first system.
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